ESKÁ UNIVERZITA V PLZNI FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ

Transkript

1 ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ KATEDRA ELEKTROENERGETIKY A EKOLOGIE DIPLOMOVÁ PRÁCE Návrh synchronního stroje s vyniklými póly Bc. Zdeněk Švec 01

2

3

4 Anotace Předkládaná diplomová práce pojednává o elektromagnetickém návrhu synchronního stoje s vyniklými póly dle zadaných parametrů. Dále se tato práce zabývá vinutím statoru a zjištěním možného počtu paralelních větví. V CAD programu je nakreslen příčný a podélný řez navrženého synchronního stroje. Klíčová slova Návrh synchronního stroje s vyniklými póly, synchronní stroj, elektromagnetický návrh, statorové vinutí, stator, rotor, vzduchová mezera, magnetický obvod, řez drážky, ztráty, účinnost.

5 Abstract This graduation thesis deals with electromagnetic design of a salient pole synchronous machine according to set parameters. The thesis is also focused on stator winding and finding possible number of parallel branch circuits. There are drawings of longitudinal and cross sections of the designed synchronous machine made in CAD. Key words Design of the salient-pole synchronous machine, synchronous machine, electromagnetic design, excitation winding, stator winding, stator, rotor, air gap, magnetic circuit, groove section, losses, efficiency.

6 Prohlášení Předkládám tímto k posouzení a obhajobě diplomovou práci, zpracovanou na závěr studia na Fakultě elektrotechnické Západočeské univerzity v Plzni. Prohlašuji, že jsem tuto diplomovou práci vypracoval samostatně, s použitím odborné literatury a pramenů uvedených v seznamu, který je součástí této diplomové práce. Dále prohlašuji, že veškerý software, použitý při řešení této diplomové práce, je legální. V Plzni dne Bc. Zdeněk Švec....

7 Poděkování Na tomto místě bych rád poděkoval vedoucímu diplomové práce Doc. Ing. Josefovi Červenému, CSc. za cenné rady, připomínky a metodické vedení při práci.

8 Obsah OBSAH...7 ÚVOD...9 SEZNAM SYMBOLŮ SYNCHRONNÍ STROJ KONSTRUKČNÍ PROVEDENÍ Základní rozdělení synchronních strojů Rozdělení alternátorů podle způsobu pohonu MOŽNOSTI VYUŽITÍ HYDROALTERNÁTORŮ...18 ZADANÉ HODNOTY ZÁKLADNÍ HODNOTY ELEKTROMAGNETICKÝ NÁVRH SYNCHRONNÍHO GENERÁTORU VOLBA HLAVNÍCH ROZMĚRŮ STROJE NÁVRH VINUTÍ INDUKTU (STATORU) Rozdělení statoru (induktu) ma segmenty Partametry vinutí Fázorová hvězdice Tingleyho schéma vinutí Pilové schéma vinutí Úsečkové schéma vinutí Výpočet činitelů vinutí NÁVRH DRÁŽKY Rozměry drážky a zubu Rozměry vodiče vinutí induktu ODPOR A ROZPTYLOVÁ REAKTANCE STATOROVÉHO VINUTÍ Rozměry čel statorového vinutí Odpor jedné fáze statorového vinutí Rozptylová reaktance statorového vinutí NÁVRH MAGNETICKÉHO OBVODU Výpočet magnetického toku Velikost vzduchové mezery Magnetické napětí reakce kotvy Dimenzování magnetického obvodu Délka středních siločar částí magnetického obvodu Charakteristika naprázdno MAGNETIZAČNÍ CHARAKTERISTIKA Magnetizační charakteristika zubové vrstvy

9 4.6. Magnetizační charakteristika celého magnetického obvodu Charakteristika naprázdno NÁVRH BUDÍCÍHO VINUTÍ Rozměry pólového nástavce s parametry budící cívky Orientační výpočet oteplení budící cívky ZTRÁTY A ÚČINNOST Jouleovy ztráty Ztráty v železe Ztráty povrchové Ztráty mechanické Ztráty přídavné (dodatečné) Ztráty celkové Účinnost KONSTRUKČNÍ ČÁSTI A MECHANICKÉ VÝPOČTY STROJE VÝPOČTY ROZMĚRŮ HŘÍDELE VÝPOČET ROZMĚRŮ KLADIVA NÁVRH TLUMÍCÍHO VINUTÍ PŘÍČNÝ A PODÉLNÝ ŘEZ STROJE...60 ZÁVĚR...61 SEZNAM LITERATURY A INFORMAČNÍCH ZDROJŮ...6 PŘÍLOHY...1 8

10 Úvod Ve své předkládané diplomové práci popisuji synchronní stroj s vyniklými póly hydroalternátor. Jedná se o typ stroje, který je důležitý pro výrobu elektrické energie. Pro pohon tohoto stroje se používá několika typů turbín, instalovaných ve vodních elektrárnách. Řeším zde elektromagnetický návrh synchronního stroje s vyniklými póly dle zadaných parametrů. Dále zde popisuji statorové vinutí stroje, jeho výpočty rozměrů, schémata a nákresy. Zároveň je zde výpočet a nákres řezu drážky statoru. V závěru diplomové práce jsou technické výkresy příčného a podélného řezu navrženého synchronního stroje, které jsem nakreslil v programu AutoCAD. 9

11 Seznam symbolů Symbol Název Jednotka A obvodová proudová hustota A.m -1 a přesahující část pólového nástavce mm a šířka krčku kladiva m a n předběžná šířka budící cívky mm a ss počet dvojic paralelních větví - a počet paralelních větví - B jr magnetická indukce ve jhu rotoru T B js magnetická indukce ve jhu statoru T B p magnetická indukce v pólu T B δ magnetická indukce T b šířka spodní části kladiva m b c šířka budící cívky m b č šířka čela mm b d šířka drážky mm b n šířka pólového nástavce m b p šířka pólu m b v šířka holého vodiče mm b vi šířka izolovaného vodiče mm C Essonův činitel V.A.min.m -3.ot -1 C 1 činitel zákl. harm. mag. indukce ve vzduch. mezeře - C d1 deformační činitel magnetického napětí v podélné ose - C q1 deformační činitel magnetického napětí v příčné ose - c vzdálenost mezi čely mm c výška krčku kladiva m cos φ účiník - D 1 vnitřní průměr statoru (induktu) m D h průměr hřídele v nejširším místě m D je vnější průměr statoru m D t průměr tyče mm d výška rozšířené spodní části kladiva m d h průměr hřídele v nejužším místě m 10

12 Symbol Název Jednotka E vyložení čel mm F' a magnetické napětí reakce kotvy A F b magnetické budící napětí A F c odstředivá síla cívky budícího vinutí N F cc součet odstředivých sil N F cc1 odstředivá síla na jeden pól N.m -1 F d1 amplituda zákl. harm. mag. napětí v podélném směru A F n odstředivá síla pólového nástavce N F p odstředivá síla pólu N F q1 amplituda zákl. harm. mag. napětí v příčném směru A F δ magnetické napětí ve vzduchové mezeře A f frekvence Hz g celkový počet vodičů v drážce nad sebou - h 0 výška můstku drážky mm h 0 výška krčku mm h 1 výška klínu drážky mm h hloubka drážky bez klínu mm h c výška budící cívky m h d hloubka drážky mm h jr výška jha rotoru m h js výška jádra induktu m h n výška pólového nástavce m h p výška pólu m h v výška holého vodiče budícího vinutí mm h vi výška izolovaného vodiče budícího vinutí mm I 1 fázový proud A I proud v pólovém nástavci A I t proud v tlumící tyči A I b budící proud A i počet paketů - i k počet chladících kanálů - K konstanta závislá na napětí - 11

13 Symbol Název Jednotka k překladové číslo - k c Cartérův činitel (celkový) - k cd Cartérův činitel (respektující vliv drážkování) - k ck Cartérův činitel (respektující vliv ventilačních kanálů) - k cu činitel zvýšení elektrického odporu - k fe činitel plnění železa - k h součinitel - k o činitel povrchových ztrát - k vν činitel vinutí ν té harmonické - L celková délka induktu m L p délka pólu m L r délka rotoru m l be vnější obvod budící cívky m l bs střední délka závitu budící cívky m l č délka čela m l e efektivní délka stroje m l p délka střední siločáry pólu m l r délka střední siločáry jha rotoru m l s délka střední siločáry jha statoru (induktu) m l v délka vodiče m m počet fází - m c hmotnost cívky budícího vinutí kg m n hmotnost pólového nástavce kg m p hmotnost pólu kg m' matematický počet fází - m Fej hmotnost jádra statoru kg m Fez hmotnost zubů statoru kg N b počet závitů budící cívky - N' p1 počet závitů v jedné poloze - N s počet závitů jedné fáze v sérii - N t počet tyčí na pól - n otáčky ot.min -1 1

14 Symbol Název Jednotka n s počet segmentů - n d počet vodičů v drážce - n p počet poloh budící cívky - n s počet segmentů - O pc ochlazovací povrch všech cívek m o délka oka mm P činný výkon W P ztráty celkové W P cu1 ztráty ve vinutí statoru W P cub ztráty v budícím vinutí W P Fej magnetické ztráty ve jhu W P Fez magnetické ztráty v zubech statoru W P m mechanické ztráty W P p povrchové ztráty W P příd přídavné ztráty W p Fe ztrátové číslo plechů W.kg -1 p počet pólpárů - p počet pólů - Q počet drážek induktu - Q f počet drážek na jedné fázi - Q p počet drážek na pól - Q př počet drážek na překlad - q počet drážek na pól a fázi - R střední poloměr ohybu čela mm R b/75 odpor všech cívek budícího vinutí Ω R 1/0 elektrický odpor při 0 C pro střídavý proud Ω R' 1/0 elektrický odpor při 0 C pro stejnosměrný proud Ω R 1/75 elektrický odpor při 75 C pro střídavý proud Ω r vnitřní poloměr ohybu čela mm r c poloměr cívky budícího vinutí m r n poloměr pólového nástavce m r p poloměr pólu m 13

15 Symbol Název Jednotka S zdánlivý výkon VA S 1 skutečný průřez jednoho vodiče mm S cu1 průřez vodiče vinutí statoru mm S cub skutečný průřez vodiče budící cívky mm S' cub průřez vodiče budící cívky mm S t průřez tyče mm š k šířka kanálu m š p šířka paketu m t d1 mezidrážková rozteč mm t d drážková rozteč tyčí mm t kc tloušťka kostřičky budící cívky mm t p pólová rozteč m U sdružené napětí V U b budící napětí V U f fázové napětí V u počet cívek v jedné drážce - u R úbytek napětí na ohmickém odporu % u σ úbytek napětí na rozptylové reaktanci % V c objem cívky budícího vinutí m 3 V n objem pólového nástavce m 3 V p objem pólu m 3 v obvodová rychlost rotoru m.s -1 X σ rozptylová reaktance statorového vinutí Ω x výběh cívky z drážky mm x d hodnota nesycené synchronní reaktance % x σ hodnota rozptylové reaktance % y délka osy vinutí mezi okem a výběhem z cívky mm y 1d cívkový krok - y 1 přední cívkový krok - y zadní cívkový krok - y k komutátorový krok - z i šířka zubu mm 14

16 Symbol Název Jednotka oteplení cívky C ϑ Cub α činitel pólového krytí - α součinitel přestupu tepla W. C.m α č úhel sklonu čel vinutí β poměrné zkrácení kroku - δ velikost vzduchové mezery mm η účinnost % λ štíhlostní poměr - ξ činitel přídavných ztrát - ρ cu měrný odpor mědi Ω.m.mm - ρ cu hustota mědi kg.m -3 ρ Fe hustota železa kg.m -3 σ A skutečné namáhání kladiva MPa σ cu1 proudová hustota ve statorovém vinutí A.mm - σ cub proudová hustota vodiče budící cívky A.mm - σ dov dovolené namáhání kladiva MPa σ max maximální namáhání kladiva MPa σ t proudová hustota A.mm - Φ magnetický tok Vs ω otáčivá rychlost m.s -1 15

17 1 Synchronní stroj Obr. 1 Hydroalternátory [3] Synchronní stroje jsou elektrické stroje točivé. Název těchto strojů je odvozen od rychlosti rotoru a točivého magnetického pole statoru. Obě tyto rychlosti jsou shodné. Nejdůležitějšími a nejrozšířenějšími synchronními stroji jsou alternátory pro výrobu elektrické energie. Dalším typem synchronních strojů jsou synchronní motory, které se využívají pro některé druhy pohonů v průmyslových provozech, kde se nepožaduje jejich časté spouštění a změny otáčení. Výhodou synchronních strojů je skutečnost, že kmitočet napětí je přímo úměrný jejich otáčkám. Tomu odpovídá níže uvedený vztah: kde: n je otáčivá rychlost [ ot / min] f kmitočet [ Hz ] p počet pólpárů f n = 60 (1) p Údaje o nejběžnějších otáčkách synchronních strojů pro frekvenci f = 50 Hz jsem uvedl v tabulce 1. Tab. 1 Nejběžnější otáčky synchronních strojů [11] p n

18 1.1 Konstrukční provedení Základní rozdělení synchronních strojů Synchronní stroje rozdělujeme na: alternátory přeměňují mechanickou energii na elektrickou. Jejich hlavní využití je v energetice, kdy vyrábí střídavý elektrický proud dodávaný do energetických rozvodných sítí. Alternátory malých výkonů s usměrňovačem jsou nedílnou součástí elektroinstalace každého automobilu. motory přeměňují elektrickou energii na mechanickou při stálých synchronních otáčkách a téměř konstantním zatížení. Nevýhodou těchto strojů je jejich vlastní rozběh z klidového stavu do synchronních otáček. kompenzátory pracují jako nezatížené motory, kdy do elektrické sítě dodávají jalový výkon. Slouží ke kompenzaci účiníku v elektrické síti Rozdělení alternátorů podle způsobu pohonu Dle způsobu pohonu rozdělujeme alternátory na: turboalternátory jsou stroje s hladkým rotorem. Tyto stroje jsou rychloběžné s rychlostí 3000 ot/min. Průměr rotoru je s ohledem na mechanické podmínky přibližně 1 metr. Délka stroje bývá i 7 metrů. Rotor je uložen horizontálně. Tyto stroje se využívají v tepelných elektrárnách, kde je pohon zajištěn pomocí parních, nebo plynových turbín. hydroalternátory mají rotory s vyniklými póly. Jedná se o pomaloběžné stroje s rychlostí ot/min. Tyto stroje jsou na rozdíl od turboalternátorů malé osové délky o rozměrech 1 metry a velkým průměrem v rozmezí 6 0 metrů. Uložení hydroalternátorů závisí na konstrukčním provedení turbíny a bývá nejčastěji vertikální. Hydroalternátory, jak již název sám napovídá, 17

19 jsou instalovány ve vodních elektrárnách, kde je pohon zajišťován pomocí vodních turbín. Obr. Stator hydroalternátoru [0] 1. Možnosti využití hydroalternátorů V rámci své diplomové práce jsem se zabýval možností využití navrhovaného hydroalternátoru o výkonu 6 MW. Téměř stejný výkon má vodní elektrárna Vrané, která má instalovaný výkon x 6,94 MW. Tato elektrárna byla uvedena do provozu v roce Tento poslední stupeň vltavské kaskády má instalovány dvě Kaplanovy turbíny. Pro porovnání jsem se zajímal o technické parametry dalších známých českých vodních elektráren, kdy jsem zjistil následující: vodní elektrárna Hracholusky má instalovaný výkon,55 MW. Tato byla uvedena do provozu v roce 1964, kdy má instalovánu jednu Kaplanovu turbínu. vodní elektrárna Lipno I má instalovaný výkon x 60 MW. Uvedena do provozu byla v roce 1959, kdy má instalovány dvě Francisovy turbíny. vodní elektrárna Orlík má instalovaný výkon 4 x 91 MW. Uvedena do provozu byla v letech , kdy má instalovány čtyři Kaplanovy turbíny. vodní elektrárna Slapy má instalovaný výkon 3 x 48 MW. Uvedena do provozu byla v letech , kdy má instalovány tři Kaplanovy turbíny. vodní elektrárna Dlouhé Stráně má instalovaný výkon x 35 MW. Uvedena do provozu byla v roce Jedná se o vodní elektrárnu, která se může pyšnit třemi nej (největší instalovaný výkon, největší reverzní turbína v Evropě a největší spád v ČR, který je 510,7 metru). Má instalovány dvě Francisovy turbíny. 18

20 Horizontální hydroalternátory jsou konstruovány s Peltonovými turbínami. Vertikální hydroalternátory pak pohání Kaplanovy, nebo Francisovy turbíny. Francisovy turbíny se rovněž vyrábí jako tzv. reverzační, určené pro přečerpávací elektrárny. V České republice je asi nejznámějším výrobcem a dodavatelem vodních turbín, včetně kompletní strojní Obr. 3 Rotor hydroalternátoru [0] a elektrické části vodních elektráren společnost ČKD Blansko SMALL HYDRO, s r.o., která navázala na tradici ČKD Blansko sahající až do roku Tab. Standardní konstrukční řešení turbín [1] Typ Spád (m 3 ) Výkon (kw) Kaplanova Francisova Peltonova Zadané hodnoty Zdánlivý výkon Sdružené napětí S = 8000 U = 6300 kva V Počet pólů p = 10 Počet fází m = 3 Frekvence f = 50 Hz Účiník cos ϕ = 0, 75 Činitel pólového krytí α = 0, 7 19

21 3 Základní hodnoty Činný výkon: P = S cos ϕ = ,75 = 6000 kw () Fázové napětí: Otáčky: Fázový proud: U f U 6300 = = = 3637 V 3 3 (3) 60 f n = = = 600 ot / min p 5 (4) 3 S I1 = = = 733,14 = U A (5) 4 Elektromagnetický návrh synchronního generátoru 4.1 Volba hlavních rozměrů stroje Při návrhu synchronního stroje je důležité začít stanovením hlavních rozměrů stroje, tzn. vnitřního průměru (vrtání) induktu D 1 a délkou induktu l e. Průměr induktu D 1: a) Podle empirického vztahu:,,,, ( p) S = 0, , 78 m D1 = 0, 08 = (6) b) Odečtem z grafu, při znalosti zdánlivého výkonu S a počtu pólů p (příloha č. 1): D1 = 1, 78 m 0

22 Podle zadaných hodnot zdánlivého výkonu S a počtu pólů p jsem určil obvodovou proudovou hustotu A a indukci ve vzduchové mezeře z grafu (příloha č. ): B δ. Tyto hodnoty jsem odečetl Obvodová proudová hustota: A = A / m Indukce ve vzduchové mezeře: Bδ = 0, 77 T Mezipólová rozteč: π D1 π 1,78 t p = = = 0, 559 p 10 m (7) 4. Návrh vinutí induktu (statoru) Mezidrážková rozteč s ohledem na průměr a napětí volím: t d 1 = 49 mm Počet drážek induktu: π D1 π 1780 Q = = = 114 (8) 49 t d 1 Předběžný počet drážek na pól a fázi: Q 114 q = = = 3,8 (9) p m 10 3 Jelikož je počet drážek na pól a fázi menší než 7, volím zlomkové vinutí: n q = (10) c 1

23 Pro navržení počtu drážek na pól a fázi jsem musel dodržet tyto zásady: 1) Počet drážek induktu Q musí být dělitelný počtem fází m Q p m q n Q f = = = p q = p = číslo celé m m c (11) ) Počet drážek na pól a fázi q musí být číslo celé, případně zlomek, který již ale nelze dále krátit. Kromě toho c nesmí být dělitelné počtem fází m a musí být menší než počet pólových dvojic p 3) Pro výhodnou volbu počtu segmentů plechů induktu je vhodné, aby se počet drážek dal rozložit na co největší počet činitelů [5] Pro velikost počtu drážek na pól a fázi jsou vhodné a možné následující hodnoty: q = 3 =, potom je Q = p m q = 10 3 = 96 = (1) q = 3 =, potom je Q = p m q = 10 3 = 10 = (13) q = 3 =, potom je Q = p m q = 10 3 = 108 = (14) q = 3 =, potom je Q = p m q = 10 3 = 114 = (15) q = 3 =, potom je Q = p m q = 10 3 = 105 = (16) Na základě shora uvedených výpočtů volím: 1 16 q = 3 = (17) 5 5 Počet drážek induktu: 18 Q = p m q = 10 3 = 96 (18) 5

24 Počet drážek na fázi: Q p m q ,8 Q f = = = = p q = 10 3,8 = 38 (19) m m 3 Počet drážek na pól: Q 96 Q p = = = 9,6 (0) p Rozdělení statoru (induktu) na segmenty Při skládání plechů jsem zvolil poloviční překlad (k=), kdy musí platit: Q = k n s Q př (1) Rozklad počtu drážek induktu Q na prvočinitele jsem zvolil jako nejvhodnější variantu č. 1 (vztah 1): Tedy vychází: Překladové číslo: k = Počet segmentů: n = 8 16 Q = p m q = 10 3 = 96 = 3 () 5 s Počet drážek na překlad: Q 96 Q př = = = 6 (3) n k 8 s 4.. Parametry vinutí Předběžný počet závitů jedné fáze v sérii: π D1 A π 1, N s = = = 85,19 (4) m I

25 Počet vodičů v drážce: n d a N s 85,19 = = = 10,65 volím 10 (5) pq Počet paralelních větví každé fáze střídavého vinutí volím: a = Při výpočtu jsem zvolil a =. Pokud bych zvolil a = 1, byl by výsledek n d = 5, 3. Vzhledem k tomu, že pro dvouvrstvé vinutí musí být počet vodičů v drážce sudé číslo, musel bych hodnotu 5,3 zaokrouhlit na 4 nebo 6. Jednalo by se však o velmi hrubé zaokrouhlení, které by dostalo výrazně odlišnou hodnotu počtu závitů v sérii a následně i odlišnou skutečnou obvodovou proudovou hustotu. V důsledku toho tedy i jiné elektrické využití stroje. Z tohoto důvodu jsem zvolil dvě paralelní větve, kdy mi vyšel počet vodičů v drážce n d = 10,65. Tuto hodnotu jsem zaokrouhlil na n = 10, kdy se jedná o hodnotu velmi blízkou původní, přičemž následující hodnoty se změní pouze nepatrně []. d Počet závitů v sérii jedné fáze: Skutečná hodnota obvodové proudové hustoty: nd pq N = = 5 s = 80 (6) a m I A = N s = 80 = 6918 A/ m π D π 1,78 1 (7) Počet drážek na pól: Q 96 Q P = = = 9,6 (8) p 10 Cívkový krok volím: y 1 d = 8 4

26 Poměrné zkrácení kroku: Krok na komutátoru: y1 d 8 β = = = 0,83 (9) Q 9,6 p y k ε Q ± a = p ss = = 19 5 (30) Základní stejnosměrné vinutí jsem zvolil: vlnové jelikož ε=1 sériové jelikož a ss =1 nekřížené jelikož je v čitateli znaménko - Kroky v počtu cívkových stran Přední cívkový krok: y u y + 1 = (31) 1 = 1d = Zadní cívkový krok: Vinutí střídavé Počet skupin vinutí: y = yk y = (3) 1 = a ss m = 1 6 = 6 (33) Počet skupin v jedné fázi: a ss m 1 6 = m 3 = (34) Počet cívek ve skupině: Q 96 = a m 1 6 ss = 16 (35) 5

27 4..3 Fázorová hvězdice A B C C B A Obr. 4 Fázorová hvězdice 4..4 Tingleyho schéma vinutí Počet řádků: p = 10 (36) Počet sloupců, velikost α n 1 16 n = 16 q = = 3, = 3 = (37) c 5 5 c = 5 m n = 3 16 = 48 (38) α = = = = 3, 75 m n (39) Tingleyho schéma vinutí jsem zpracoval v příloze č

28 4..5 Pilové schéma vinutí Obr. 5 Pilové schéma vinutí 4..6 Úsečkové schéma vinutí Obr. 6 Úsečkové schéma vinutí 7

29 Obr. 7 Drážka statoru 8

30 V navrhovaném synchronním stroji je užito dvouvrstvé vlnové sériové nekřížené vinutí s poměrným zkrácením kroku β = 0,83. Vinutí je závitové, každá cívka je tvořena 5 závity. V každé drážce statoru je uloženo 10 vodičů. Vinutí je rozstříháno na 6 skupin. Jelikož je každá fáze tvořena dvěmi skupinami po 16 cívkách, je možné tyto dvě skupiny spojit paralelně. Tedy jsem zvolit dvě paralelní větvě a =. Toto vinutí je uloženo ve statoru v otevřených drážkách tvaru M (viz obr. 7), přičemž je proti dynamickým účinkům elektrického proudu zajištěno drážkovými klíny. Materiál pro výrobu drážkových klínů je vyroben z nemagnetického materiálu z důvodu zamezení zvyšování rozptylového toku Výpočet činitelů vinutí Činitel vinutí ν té harmonické: k v ν π sin ν π m = sin νβ π n sin ν m n (40) kde: ν β m` řád harmonické poměrné zkrácení kroku matematický počet fází n n čitatel počtu drážek na pól a fázi ( q = ) c Činitel vinutí základní harmonické (ν = 1): π sin 1 π 6 k 1 = sin 1 0,83 = 0,91 (41) v π 16 sin

31 Činitel vinutí 5. harmonické: π sin 5 π 6 k 5 = sin 5 0,83 = 0,045 (4) v π 16 sin Činitel vinutí 7. harmonické: π sin 7 π 6 k 7 = sin 7 0,83 = 0,041 (43) v π 16 sin Činitel vinutí 11. harmonické: π sin 11 π 6 k 11 = sin 11 0,83 = 0,087 (44) v π 16 sin Činitel vinutí 13. harmonické: π sin 13 π 6 k 13 = sin 13 0,83 = 0,07 (45) v π 16 sin Skutečná hodnotu Essonova činitele elektromagnetického využití stroje: π C = 60 π kva A Bδ kv 1 = 6, 918 0, 77 0, 91 = 5189, (46) 60 3 ot m min Efektivní délka stroje: S 8000 l e = = = 0, 811 m (47) C D n 5,189 1,

32 Štíhlostní poměr: le 0, 811 λ = = = 1, 45 (48) t 0, 559 p S výpočtem délky stroje l e se musí vypočítat i jeho štíhlostní poměr. Obě tyto hodnoty určují podmínky pro jeho chlazení. Podmínky pro chlazení se zhoršují s délkou stroje a velikostí štíhlostního poměru. Navrhovaný synchronní stroj s 10-ti póly se štíhlostním poměrem 1,45 daným podmínkám chlazení dle grafu 7.11 na str. 358 vyhovuje [5]. Předpokládám použití radiálních chladících kanálů, které rozdělí plechový svazek induktu na pakety o zvolené šířce přibližně š p = 50 mm, přičemž volím šířku kanálu š k = 10mm. Počet paketů: Počet kanálů: le 0,811 i = = = 16, = 16 (49) š 0,050 p i k = i 1 = 16 1 = 15 (50) Celková délka induktu (včetně radiálních kanálů): L = le + šk ik = 0, ,01 15 = 0, 961 m (51) Obr. 8 Statorový svazek 31

33 4.3 Návrh drážky Na induktu jsem zvolil otevřenou obdélníkovou drážku tvaru M (příloha 3 a obr. 7). Zuby jsou lichoběžníkového tvaru. Do otevřených drážek se nechají snadněji vkládat již hotové cívky vinutí, které jsou zhotovovány mimo stroj. Nevýhodou těchto drážek je jejich velké otevření ve vzduchové mezeře a tím i zvětšení magnetického odporu v této vzduchové mezery Rozměry drážky a zubu Velikost drážkové rozteče na průměru D 1 : π D1 π 1780 t d 1 = = = 58, 3 Q 96 mm (5) Šířka zubu: z Bδ td1 0, 77 58, 3 = = 31, 5 mm (53) B k 155, 0, 9 1 = z1 Fe kde: B z1 je hodnota magnetické indukce v hlavě zubu (na průměru D 1 ). Volím z1 k Fe je činitel plnění železa B = 1,55 T. Šířka drážky: b = t z = 58,3 31,5 6, mm (54) d d1 1 = 8 Nejbližší normalizovaná šířka, kterou jsem určil z tabulky drážky M (příloha č. 4): b d = 7 mm Skutečná šířka zubu: z = t b = 58, , mm (55) 1 d1 d = 3 3

34 Jedná se o závitové vinutí n d =10. Tomu odpovídá pro napětí 6,3 kv následující uspořádání vodičů a izolace v drážce: Tab. 3 Rozměry drážky s parametry vodičů a izolace Poz. Název Šířka Hloubka 1 Vyložení drážky 0,15 0,3 3 0,15 0,45 Izolace proti železu t i 3 6,0 4 t i 4 3 1,00 3 Tmelení 0,1 0, 4 0,1 0,40 4 Stažení vodičů 0,15 0,3 4 0,15 0,60 5 Izolace závitů 0,48 0,96 n d 0, ,48 9,60 6 Izolace vodičů 1 j 0,37 1 0,37 0,74 n d i 0, ,37 14,80 7 Mezivrstva m v 1 4 4,00 8 izolace 8,50 41,85 9 Vůle na šířku 0, až 0,6 0, Holý vodič j b 9 18,00 n d i h v ,6 64,00 11 Vložka na dno ,00 1,00 1 Vložka pod klín ,5 0,5 13 Vůle na hloubku - - 0,4 až,0 0,65 14 Rozměr drážky bez klínu b d 7 h 108,00 15 Klín + můstek - - h 0 + h ,0 16 Konečný rozměr drážky b d 7 h d 115,00 S ohledem na napětí 6,3 kv jsem zvolil izolaci proti železu t i = 3, 0 mm a mezivrstvu m = 4,0 mm [, str. 6]. v 4.3. Rozměry vodiče vinutí induktu Proudová hustota ve vodiči jsem určil z následujícího empirického vztahu: K 190 σ Cu 1 = = = 3,5 A/ mm (56) bv 18 kde: K je konstanta závislá na napětí, pro U = 6,3 kv => K = 190 [, str. 7] b v je šířka holého vodiče v drážce [řádka 10 v tab. 3] 33

35 Průřez vodiče: I 733 S cu = = = a σ cu1 3,5 mm (57) Výška vodiče h v při jeho šířce 18 mm: S cu1 113 hv = = = 6, 8 mm (58) b 18 v Pro nutnost omezení ztrát, které by ve vodiči vznikly skinefektem, jsem tento vodič rozdělil na několik paralelních vodičů menších průřezů. Tyto vodiče jsem zvolil podle normalizovaného rozměru. Původní vodič jsem tedy rozdělil na šířku na dva vodiče (j=) a na výšku na čtyři vodiče (i=4). Rozměry vodiče jsem zvolil dle tabulky (příloha č. 5): Rozměry holého vodiče: h v = 9 mm b v = 1, 6 mm Rozměry izolovaného vodiče: h vi = 9, 5 b vi =, 1 mm mm Skutečný průřez jednoho vodiče je dle ČSN (příloha č. 5): S = 14 mm 1, 1 Výsledný průřez vodičů tvořícího jeden závit je: S Cu = j i S = 4 14,1 11,8 (59) 1 1 = 34

36 Skutečná proudová hustota: I σ cu 1 = = = 3,5 A / mm (60) a SCu1 11,8 4.4 Odpor a rozptylová reaktance statorového vinutí Rozměry čel statorového vinutí Vzdálenost mezi čely volím v závislosti na velikosti napětí: [ kv ] U 6,3 c = 4 + = 4 + = 7, 15 mm (61) Šířku čela b č volím stejnou jako šířku drážky b d bč = bd = 7 mm Úhel sklonu čel válcového vinutí: bč + c 7 + 7,15 sinα č = = = 0,586 (6) t 58,3 d1 = arcsin 0,586 = 36 0 α č (63) Délka vinutí mezi okem a výběhem cívky: x = β. t p cosα č = 0, cos 36 0 = 87 mm (64) Vnitřní poloměr ohybu čela. Udává se v rozmezí (6 10 mm). volím r = 9 mm 35

37 Střední poloměr ohybu čela: h 108 R = + r = + 9 = 63 mm (65) Délka oblouku čela: B = R + r = = 7 mm (66) Délka oka: π R π 63 o = = = 99 mm (67) Délka osy vinutí mezi okem a výběhem z cívky: β. t p 0, y = tgαč = tg36 0 = 169 Vyložení čel: mm (68) E = v + y + B = = 91 mm (69) kde: v je výběh drážky z cívky. Pro napětí 6,3 kv volím v = 50 mm [, str. 8 ] Délka čela: l č = ( v + x + o ) = ( 0, , , 099 ) = 0, 87 m (70) Délka vodiče: lv = L + lč = 0, , 87 = 1, 833 m (71) 36

38 Obr. 9 Čelo statorového vinutí 37

39 4.4. Odpor jedné fáze statorového vinutí Elektrický odpor pro stejnosměrný proud bez uvažování skinefektu: l v N s , 80 R1 / 0 = ρ Cu = = 0, 03 a SCu , 8 Ω (7) kde ρ Cu je měrný odpor měděného vodiče při teplotě 0 0 m C Ω mm Vliv skinefektu: Náhradní výška vodiče: j bv f ξ = π h v 10 = π 1,6 10 = 0,137 (73) b ρ 1 d 7 56 Celkový počet vodičů v drážce nad sebou: g i n = 4 10 = 40 (74) = d Činitel zvýšení elektrického odporu: g 0, , 4 k Cu = ξ = 0,137 = 0,063 (75) 9 9 Hodnota k Cu je přiměřená, pokud je menší než 0, [, str. 8]. Odpor při střídavém proudu při 0 0 C: / 0 = ( 1+ kcu ) R1 0 = ( 1+ 0, 063 ) 0, 03 = 0 04 Ω (76) R 1 /, Odpor při střídavém proudu při 75 0 C: / 75 = 1, R1 0 = 1, 0, 04 = 0 09 Ω (77) R 1 /, Procentní hodnota úbytku napětí na ohmickém odporu: R1/ 75 I1 0, u R = 100 = 100 = 0,58 % (78) U 3637 f 38

40 4.4.3 Rozptylová reaktance statorového vinutí ( 4π ) f N s h = h + 1 l č Xσ le + p q 3bd bd le ( 4π ) = 0, , t p q 0187, , lč π z 7 β + ln = bd 100, , 864 0, 559 π 313, , 0187, 0166, 0, 83 ln , 811 0, kde: = 0, 9 Ω (79) h = h 1 h 0 = h + h + izolace Fe + vložka na dno = = 11 mm 1 vule na hloubku vložka na dno izolace Fe = 108 0, = 100,35 mm Úbytek napětí na rozptylové reaktanci: (80, 81) X σ I1 0,9 733 uσ = 100 = 100 = 18,5 % (8) 3637 U f Procentní hodnota rozptylové reaktance: x u = 18,5 % (83) σ = σ 4.5 Návrh magnetického obvodu Magnetický obvod stroje je tvořen železem rotoru a statoru a vzduchovou mezerou mezi oběma těmito částmi. Jedná se o důležité části stroje, neboť těmito částmi prochází požadovaný magnetický tok Výpočet magnetického toku Výpočet magnetického toku jsem odvodil ze vzorce pro indukované napětí: U f 3637 Φ = = = 0, Vs (84),44 f N k 4, ,91 4 s v1 39

41 Podle rozměru stroje a velikosti magnetické indukce ve vzduchové mezeře jsem si ověřil hodnotu magnetického toku: Φ = t p le B = 0,559 0,811 0,77 = 0, Vs π δ π (85) Hodnoty jsou totožné, a tedy pokračuji dále s touto hodnotou: Φ = 0, Vs 4.5. Velikost vzduchové mezery Požadavek na vzduchovou mezeru je takový, aby byla co nejmenší, neboť klade magnetickému toku odpor. V případě velké vzduchové mezery by bylo nutné vytvořit silnější magnetický tok zvětšením budícího proudu. Vzduchovou mezeru nelze z konstrukčních důvodů příliš zmenšovat, a to z důvodu obtížné montáže uložení rotoru a správné funkce stroje. Při její volbě vycházím z požadované procentní hodnoty nesycené synchronní reaktance a procentní hodnoty rozptylové reaktance. Velikost vzduchové mezery: 6 6 A t p , δ = k = 47 = 0, 0198 m (86) B x x 0, , 5 δ d σ kde: k závisí na tvaru pólového nástavce, velikosti Cartérova činitele a dalších parametrech. Udává se v rozmezí (43 50). Volím k = 47. x d je procentní hodnota nesycené synchronní reaktance. Pokud není zadaná, volí se podle počtu pólů. Volím x d = 17 [, str. 11]. 40

42 Velikost výsledné vzduchové mezery volím: δ = 0,0 mm Za účelem pokud možného sinusového průběhu ve vzduchové mezeře volím po obvodu proměnnou velikost vzduchové mezery: δ max = 1,5 δ (87) Na okrajích pólových nástavců je velikost vzduchové mezery 1,5 krát větší než v ose pólu Magnetické napětí reakce kotvy Činitel základní harmonické magnetické indukce ve vzduchové mezeře. Hodnoty jsem odečetl z grafu (příloha č. 7): C = a b = 1,18 0,915 1,08 (88) 1 = Amplituda základní harmonické reakce kotvy: 1 1 F a = A t p kv 1 = , 559 0, 91 = 1350 π C π 108, 1 A (89) Deformační činitel magnetického napětí v podélné ose C d1. Hodnoty jsem odečetl z grafu (příloha č. 6): C d = e f = 0, 815 1, 09 = 0 89 (90) 1, Deformační činitel magnetického napětí v příčné ose C q1. Hodnoty jsem odečetl z grafu (příloha č. 6): C q = g h = 15, 0, 33 = 0 50 (91) 1, 41

43 Amplituda základní harmonické magnetického napětí v podélné ose F d1 : Fd 1 = Cd1 F a = 0, = 1017 A (9) Amplituda základní harmonické magnetického napětí v příčné ose F q1 : Fq 1 = Cq 1 F a = 0, = 6751 A (93) přičemž, pro: δ / δ = 1,5 (94) max δ / = 0,0 / 559 = 0,036 (95) t p α = 0,7 (96) Dimenzování magnetického obvodu Dimenzováním magnetického obvodu se rozumí určení vhodného průřezů železných částí statoru a rotoru, kdy při výpočtech vycházíme z velikosti magnetického toku a požadované hodnoty magnetické indukce. výška pólu: hp = 0,3 t p = 0,3 0,559 = 0, 168 m (97) Výška pólového nástavce: hn = 0,1 t p = 0,1 0,559 = 0, 056 m (98) Délka pólů je stejná jako celková délka induktu (včetně radiálních ventilačních kanálů): L p = L = 0, 961 m (99) Šířka pólu: ( 1+ ν ) Φ ( , ) 0, b = = = 0, p B L 15, 0, p p m (100) 4

44 kde: B p je hodnota magnetické indukce v pólu. Udává se v rozmezí (1,5 1,7) T. Volím =. B p 1, 5 T ν je předpokládaná poměrná hodnota mezipólového rozptylového toku. Volím ν = 0, 15. Šířka pólového nástavce: bn = α t p = 0, 7 0, 559 = 0, 391 m (101) Šířka mezery budící cívky: bn bp 0, , a = = = 0107, m (10) Délka rotoru: a 0107, L r = L + = 0, 961+ = 1, 01 m (103) výška jha rotoru: ( 1+ ν ) Φ ( , ) 0, h = = = 0, jr B L 11, 1, jr r m (104) kde: B jr je hodnota magnetické indukce ve jhu rotoru. Udává se v rozmezí (0,9 1,) T. Volím B jr = 1, 1 T L r je délka rotoru, proti délce pólu zvětšená s ohledem na prostor pro dosednutí budící cívky konstanta k Fe : volím = 0,9 výška jádra induktu: Φ 0, h = = = 0, m js B k l 13, 0, 9 0, (105) js Fe e 43

45 kde: B js je hodnota magnetické indukce ve jhu statoru. Udává se v rozmezí (1, 1,4) T. Volím B js = 1, 3 T Délky středních siločar částí magnetického obvodu pól: l p = hp + hn = 0, ,056 = 0, 4 m (106) jho rotoru: [ D1 ( δ + hp + hn )] π 1,78 ( 0,0 + 0, ,056) [ ] π lr = = = 0, 03 4 p 4 5 m (107) jádro induktu: [ D1 ( hd + h js )] π 1,78 ( 0, ,114 ) [ ] π ls = = = 0, 1 4 p 4 5 m (108) Charakteristika naprázdno Cartérův činitel respektující vliv drážkování induktu k cd b o z 1 = 7 31,3 = 0,86 b = b platí pro otevřenou drážku (109) o d b o δ = 7 = 1,35 0 (110) Z nomogramu dle přílohy č. 8 volím: k cd =1,1 Cartérův činitel respektující vliv radiálních ventilačních kanálů k ck : k 1 = δ šk i 1+ + δ l e 1 = ck = 0, 85 (111) 44

46 kde: š k je šířka radiálního kanálu i je počet paketů Výsledná hodnota Cartérova činitele: k k k = 1,1 0,85 = 0,94 (11) c = cd ck Magnetické napětí na vzduchové mezeře: 6 6 Fδ = 0,8 kc δ Bδ 10 = 0,8 0,94 0,0 0,77 10 = A (113) Výpočet charakteristiky naprázdno je proveden v následujících tabulkách. 4.6 Magnetizační charakteristika Magnetizační charakteristika zubové vrstvy Tab. 4 Magnetizační charakteristika zubové vrstvy 45

47 4.6. Magnetizační charakteristika celého magnetického obvodu Tab. 5 Magnetizační charakteristika celého magnetického obvodu Φ k k Φ Φ 1 B H F B H F B H F Vzduch.mezera δ = 0,0 m 0, Z U B Y Hlava kz 1 = 1, 03 Střed kz = 0, 93 Pata kz 3 = 0, 84 B 1, 56 z1 1, 79, B z1 1, 55 1,77 1,97 B 1, 48 z 1, 70 1, B 1, 47 1,69 1,89 z B 1, 4 z3 1, 64 1, B 1, 41 1,63 1,83 z Stř. hodnota h d = 0, Jádro induktu l = 0, 10 1, , , s Pól l = 0, 4 1, , , p Jho l = 0, 03 1, , , z r F = Fδ + F + F + F + F j p ji Při výpočtech jsem použil magnetizačních křivek (přílohy č. 9, 10) a činitel odlehčení (příloha č. 11) Charakteristika naprázdno Průběh charakteristiky naprázdno jsem znázorněn na obr. 10. Na vodorovnou osu jsem vynesl magnetické napětí F [ A], které je úměrné budícímu proudu. Na svislé ose jsem vynesl elektrického napětí U [ V ], jejichž hodnoty jsem uvedl v procentech. [1]. Hodnoty pro sestrojení charakteristiky naprázdno jsem získal z tabulky č. 5. Hodnota výsledného magnetického napětí F b na základě sestrojené charakteristiky je ve výši 5600 A. 46

48 Obr. 10 Charakteristika naprázdno 4.7 Návrh budícího vinutí Rozměry pólového nástavce s parametry budící cívky Přesahující část pólového nástavce: bn bp 0, , a = = = 0107, m (114) 47

49 Předběžná střední délka závitu budící cívky: ( L + b + a) = ( 0, , , ), m lbs = p p = 704 (115) Průřez vodiče budící cívky: S ρ lbs p F 0, 9 U 1 56, Cu b Cub = = = b 0, , 34 mm (116) kde: F b je magnetické napětí budícího vinutí U b je budící napětí, které jsem zvolil 400 V Rozměry vodiče jsem zvolil dle tabulky (příloha č. 5): Rozměry holého vodiče: h v = 8 mm b v = 4, 5 mm Rozměry izolovaného vodiče: h vi = 8, 4 b vi = 4, 9 mm mm Skutečný průřez vodiče (při respektování zaoblení hran a nerovnosti povrchu): S Cub = 34, 8 mm Volím proudovou hustotu ve vodiči : σ = Cub Budící proud: I A / mm = σ S = 34, 8 = 69, A (117) b Cub Cub 6 48

50 Počet závitů budící cívky: F 5600 = b Nb = = 368 (118) I 69, 6 b Volím tloušťku kostřičky cívky: t kc = 5 mm Předběžná šířka budící cívky: bn bp 0, , an = tkc = 0, 005 = 0, 10 m (119) Počet poloh budící cívky: n an 10 = = 114, volím n p = 1 (10) h 8, 4 p = vi Šířka budící cívky: b = h n = 8, 4 1 = 100, mm (11) c vi p 8 Počet závitů v jedné poloze: Výška budící cívky: Nb 368 N p 1 = = = 30, 67 volím N 31 n 1 p1 = (1) p hc = N p bvi = 31 4, 9 15 mm (13) 1 = Výška těla pólu: hp = hc + tkc = = 16 mm (14) Skutečná výška pólu vychází téměř stejná, jako byla odhadovaná velikost pólu (vztah 97. h p =168 mm). Nově vypočtené hodnotě přizpůsobím výšku pólu. 49

51 Obr. 11 Vyniklý pól synchronního stroje 4.7. Orientační výpočet oteplení budící cívky Vnější obvod budící cívky: [ L + b + 4 ( b + t )] = [ 0, , + 4 ( 01008, + 0, 005) ] 3, m lbe = p p c kc = 1 (15) Střední obvod budící cívky: bc 01008, lbs = Lp + bp + 4 tkc + = 0, , 4 0, 005 =, 719 m (16) Ochlazovací povrch všech cívek: pc = hc lbe p = 015, 31, 10 = 4, m (17) O 75 50

52 Odpor všech cívek budícího vinutí: Ztráty v budícím vinutí: lbs Nb p 1, Rb / 75 = 1, ρ = 1, = 6, 6 Ω (18) S 56 34, 8 Cub P = Rb / I b = 6, 6 69, W (19) Cub 75 = Rychlost proudícího vzduchu kolem cívky, lze uvažovat jako třetinu obvodové rychlosti rotoru: 1 π D1 n 1 π 1, v = = = 18,64 m / s (130) Součinitel přestupu tepla jsem určil podle grafu (příloha č. 1): α = 98 W / C m Oteplení cívky: 1,18 PCub 1, o ϑ Cub = = = 76,8 C (131) α O 98 4,75 pc Hodnota odpovídá použité izolaci třídy B. 4.8 Ztráty a účinnost Při práci hydroalternátoru vznikají ztráty. Částí přiváděného příkonu se pokryjí ztráty, které se přemění v teplo. Jedná se zejména o ztráty ve vodičích vlivem činného odporu, dále ztráty vzniklé v železe a mechanické ztráty zapříčiněné třením v ložiskách Jouleovy ztráty Jedná se o největší ztráty, které vznikají ve vinutích statoru průchodem střídavého proudu a ve vinutí rotoru průchodem stejnosměrného proudu. 51

53 Ztráty ve vinutí statoru: P Cu = m R I = 3 0, W (13) 1 1/ 75 1 = Ztráty v budícím vinutí: PCub = Rb Ib = 6,6 69, W (133) / 75 = Již bylo určeno při výpočtu oteplení budící cívky (vztah 19) Ztráty v železe Jedná se o ztráty hysterezní a ztráty způsobené vířivými proudy. Jejich velikost závisí na kvalitě a síle použitých elektrotechnických plechů, frekvenci přemagnetování a velikosti magnetické indukce. Ztráty v jádře induktu: Ztrátové číslo plechů: p Fe = 1,8 W / kg Vnější průměr statoru: D je = D + ( hd + h js ) = 1,78 + (0, ,114), 38 m (134) 1 = Hmotnost jádra statoru: π ( D D ) l k σ = (,38,01 ) 0,811 0,9 7800= kg π mfej = je 3 e Fe Fe (135) kde: D = D ( h ) =,38 (0,114), m (136) 3 je js = 01 Ztráty v jádře induktu (statoru): 1,3 f 50 PFej = 1,8 pfe B js mfej = 1,8 1,8 1,3 447 = 441 W (137) ,3 5

54 Ztráty v zubech statoru: Hmotnost zubů statoru: mfez = Q z hd le kfe ρ Fe = 96 0,035 0,115 0,811 0, = 49 kg (138) kde: z je střední šířka zubu (viz. výpočet zubové vrstvy charakteristiky naprázdno) h d hloubka drážky Ztráty v zubech statoru: 1,3 f 50 PFez = pfe Bz mfez = 1,8 1,47 49 = W (139) kde: B z je magnetická indukce ve středu zubu (viz. výpočet zubové vrstvy charakteristiky naprázdno) 1, Ztráty povrchové Při zatížení stroje i při chodu naprázdno dochází ke kolísání indukce ve vzduchové mezeře v důsledku drážkování statoru. Toto drážkování statoru je příčinou vzniku povrchových ztrát na povrchu pólových nástavců rotoru. P p π = D1 α L p k Q n π = 1,78 0,7 0,961 4, ,5 ( t β 1000 B k ) 1,5 d1 δ c = ( 0,058 0, ,77 0,94) = 1349 W (140) kde: k 0, β jsou činitele povrchových ztrát (určeno z grafu dle přílohy č. 13) k c je Cartérův činitel (vztah 11) 53

55 4.8.4 Ztráty mechanické Mechanické ztráty vznikají v důsledku tření rotujících částí stroje o vzduch, třením v ložiskách a třením na kroužkách rotoru. Obvodová rychlost rotoru: π D1 n π 1, v = = = 55,9 m / s (141) Ztráty mechanické:,5 Pm = v D le 55,9,5 1 = 1,78 0,811 = W (14) Ztráty přídavné (dodatečné) Přídavné (dodatečné) ztráty vznikají vlivem vyšších harmonických kmitočtů magnetického pole rotoru. Tato magnetická indukce vytváří vířivé proudy v železe statoru i v pólových nástavcích rotoru. Tyto ztráty se těžko definují. Ztráty přídavné: P prid = 0,003 S = 0, = 4000 W (143) Ztráty celkové Ztráty celkové jsou dány součtem všech výše stanovených ztrát (viz vztahy 13, 133, 137, 139, 140, 14 a 143). Ztráty celkové: P = P Cu1 + P Cub + P Fej + P Fez + P p + P m + P = W = 181, 638 kw prid = (144) 54

56 4.8.7 Účinnost Účinnost stroje se vyjadřuje jako poměr výkonu stroje a dodávaného příkonu z turbíny, nebo se udává v procentech. Je vždy menší něž 1, nebo méně než 100 % a to v důsledku ztrát. Účinnost stroje: P 6000 η = 100 = 100 = 971, % (145) P + P , Konstrukční části a mechanické výpočty stroje 5.1 Výpočet rozměrů hřídele Průměr hřídele v nejužším místě (uložení rotorového svazku): P 6000 d h = kh 3 = 0, , 39 m n 600 = (146) kde: k h je součinitel, kdy jeho velikost je závislá na výkonu stroje. Pro daný výkon stroje se podle Kopylova [5, str. 538 ] udává v rozmezí (0,18 0,0). Volím k h = 0, 18. Průměr hřídele v nejširším místě: ( 1, 3 ) d = 13, 0, 39 = 0, m Dh = h 51 (147) 5. Výpočet rozměrů kladiva Objem pólového nástavce: V n = hn bn Lp = 0, 056 0, 391 0, 961 = 0, 014 m (148) 55

57 Objem pólu: V 3 p = hp bp Lp = 0, , 0, 961 = 0, 076 m (149) Objem cívky budícího vinutí: V 3 c = hp a lbs = 0, ,, 719 = 0, 0471 m (150) Hustota železa: ρ = Fe 7800 kg / m 3 Hmotnost pólového nástavce: m = V ρ = 0, = 109, kg (151) n n Fe Hmotnost pólu: m p = V p ρ Fe = 0, = 15, 8 kg (15) Hustota mědi: ρ = Cu 8900 kg / m 3 Hmotnost cívky budícího vinutí: mc = Vc ρ Cu = 0, = 419, 19 kg (153) Poloměr pólového nástavce (měřeno od středu stroje): D1 178, rn = δ + hn = 0, 0 + 0, 056 = 0, 83 m (154) 3 3 Poloměr pólu (měřeno od středu stroje): D , 1 rp = δ + hn + hp = 0, 0 + 0, , = 0, 733 m (155) 56

58 Poloměr cívky budícího vinutí (měřeno od středu stroje): D , 1 rc = rp = δ + hn + hp = 0, 0 + 0, , = 0, 733 m (156) Rychlost otáčení rotoru: 600 = = 6, 83 m s 60 1 ω π (157) 1 ω max = 1, ω = 1, 6, 83 = 75, 396 m s (158) Odstředivá síla pólového nástavce: Fn = mn rn ω max = 109, 0, 83 75, 396 = 5155 N (159) Odstředivá síla pólu: Fp = m p rp ω max = 15, 8 0, , 396 = N (160) Odstředivá síla cívky budícího vinutí: Fc = mc rc ω max = 41919, 0, , 396 = N (161) Součet odstředivých sil: Fcc = Fn + Fp + Fc = = N (16) Odstředivá síla na jeden pól: Fcc Fcc1 = = = N / m = 3, 87 MN / m (163) L 0, 961 p Volba rozměrů kladiva Rozměry kladiva jsem zvolil dle normalizovaných rozměrů uvedených v tabulce 9.6, kde pro vypočtenou odstředivou sílu na jeden pól dle vztahu 163, tomuto odpovídá provařená rybina č. 5, která má dovolené zatížení F cc = 3, 340 MN / m [5, str. 566]. 1 57

59 Šířka krčku kladiva: a = 0, 038 m Šířka spodní části kladiva: b = 0, 070 m Výška krčku kladiva: c = 0, 058 m Výška rozšířené spodní části kladiva: d = 03 m Obr. 1 Rozměry kladiva Dovolené namáhání kladiva: σ Skutečné namáhání kladiva: = ( 10 ) MPa dov 150 F = a cc1 σ A σ dov 3, 87 σ A = = 86, 5 MPa σ 0, 038 dov (164) (165) 58

60 Maximální namáhání kladiva: σ max F = a cc1 b a 3 + 4d 0, 070 0, , 87 =, , 03 b a d = 0, 070 0, , 03 = 14, 8 MPa σ dov (166) 5.3 Návrh tlumícího vinutí Výška krčku: volím h, 5 0 = mm Proud v pólovém nástavci: I = α t p 0, A = 0, 7 0, 559 0, A (167) = Počet tyčí na pól (s ohledem na velikost a další parametry pólu): volím N = 7 Proud v tlumící tyči: Průřez tyče: t I 494 I t = = = 703 A (168) N 7 t S I 703 t t = = = 117, σ t 6 mm (169) Proudová hustota: volím σ t = 6 A / mm 59

61 Průměr tyče: D = 1, 33 S = 133, 117, = 14, mm volím D t = 15 mm (170) t t 4 Vzdálenost mezi středem krajní tyče a bočními stranami pólového nástavce: volím z = 5 mm Drážková rozteč tyčí: t bn Dt z = = 54, mm (171) N d = 3 t Navržené tlumícího vinutí jsem graficky znázornil na obr Příčný a podélný řez stroje Na základě informací získaných z provedených výpočtů jsem mohl sestrojit navrhovaný synchronní stroj. V programu AutoCAD jsem schematicky nakreslil příčný a podélný řez navrhovaného synchronního stroje. Technické výkresy s výše uvedenými řezy stroje jsou součástí přílohové části mé diplomové práce (přílohy 15. a 16.). 60

62 Závěr Ve své diplomové práci jsem provedl elektromagnetický návrh synchronního generátoru dle zadaných parametrů. Vypočetl jsem, že účinnost stroje je 97,1 %. Dále jsem vypočetl parametry vinutí statoru, určil jsem počet paralelních větví každé fáze a =, průřez vodičů, počet závitů v cívce a rozměry izolace. Součástí této části bylo i navržení drážky statoru. Navrhl jsem otevřené drážky tvaru M. V poslední části této práce jsem schematicky nakreslil v programu AutoCAD příčný a podélný řez navrhovaného stroje v měřítku 1:0. Tímto jsem si ověřil správnost předchozích výpočtů rozměrů částí stroje, které jsem aplikoval při kreslení technických výkresů. strojů. Toto téma diplomové práce mi pomohlo rozšířit si vědomosti týkající se elektrických 61

63 Seznam literatury a informačních zdrojů I. Literatura [1] CIGÁNEK L.: Stavba elektrických strojů, SNTL Nakladatelství technické literatury, Praha s. [] ČERVENÝ J.: Postup při elektromagnetickém návrhu synchronního stroje, ZČU Plzeň, s. [3] ČERVENÝ J.: Konstrukční tabulky, ZČU Plzeň, s. [4] FIŠER J.: Návrh synchronního stroje s vyniklými póly, diplomová práce, ZČU Plzeň, s. [5] KOPYLOV I. P. A KOL.: Stavba elektrických strojů, SNTL Nakladatelství technické literatury, Praha s. ISBN [6] POKORNÝ K.: Stavba elektrických strojů I, SNTL Nakladatelství technické literatury, Praha s. ISBN [7] POKORNÝ K.: Stavba elektrických strojů II, SNTL Nakladatelství technické literatury, Praha s. ISBN [8] ŠVEC Z.: Návrh synchronního stroje s vyniklými póly, semestrální práce SES, ZČU Plzeň, s. [9] WIEDEMANN E., KELLENBERGER W.: Konstrukce elektrických strojů, SNTL Nakladatelství technické literatury, Praha s. ISBN II. Internet [10] [cit ]. [11] [cit ]. [1] elektrick%ecch%0za%fd%a1zen%a1.pdf, [cit ]. [13] [cit ]. [14] [cit ]. 6

64 [15] [cit ]. [16] [cit ]. [17] [cit ]. [18] [cit ]. [19] [cit ]. [0] [cit ]. [1] [cit ]. [] 61&Itemid=73, [cit ]. [3] [cit ]. 63

65 Seznam příloh [1] Průměry synchronních strojů [] Určení obvodové proudové hustoty a indukce ve vzduchové mezeře [3] Tvary drážek pro vinutí [4] Rozměry drážek [5] Rozměry měděných pásů [6] Deformační činitel magnetického napětí [7] Amplitudy základní harmonické magnetického napětí [8] Carterův činitel na drážkování [9] Určení intenzity magnetického pole ve statoru [10] Určení intenzity magnetického pole v pólu [11] Určení skutečné magnetické indukce v zubech induktu [1] Chladivost v proudícím vzduchu [13] Činitelé povrchových ztrát v pólovém nástavci [14] Tingleyho schéma vinutí [15] Synchronní stroj v příčném směru technický výkres (formát A3) [16] Synchronní stroj v podélném směru technický výkres (formát A3) Přílohy (1 13) zdroj [3] 1

66 Příloha č. 1 Průměry synchronních strojů

67 Příloha č. Určení obvodové proudové hustoty a indukce ve vzduchové mezeře 3

68 Příloha č. 3 Tvary drážek pro vinutí 4

69 Příloha č. 4 Rozměry drážek 5

70 Příloha č. 5 Rozměry měděných pásů 6

71 Příloha č. 6 Deformační činitel magnetického napětí v podélné ose v příčné ose 7

72 Příloha č. 7 Amplitudy základní harmonické magnetického napětí Činitel základní harmonické magnetické indukce Činitel tvaru magnetického toku 8

73 Bc. Zdeněk Švec 01 Návrh synchronního stroje s vyniklými póly Příloha č. 8 Carterův činitel na drážkování 9

74 Bc. Zdeněk Švec 01 Návrh synchronního stroje s vyniklými póly Příloha č. 9 Určení intenzity magnetického pole ve statoru 10

75 Příloha č. 10 Určení intenzity magnetického pole v pólu 11

76 Příloha č. 11 Určení skutečné magnetické indukce v zubech induktu 1

77 Příloha č. 1 Chladivost v proudícím vzduchu 13

78 Příloha č. 13 Činitelé povrchových ztrát v pólovém nástavci 14

79 Příloha č. 14 Tingleyho schéma vinutí 15

80 16

81 17